java线程安全
来源:互联网 发布:下载行者软件 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 13:22
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java的线程安全的问题:其实就是控制多个线程对某个资源的有序访问或者修改。
java的内存模型主要是解决两个问题:(1)可见性(2)有序性
(1)可见性:多个线程之间是不能相互传递数据通信的,他们之间只能通过共享变量来进行沟通。java的内存模型规定了jvm有主存,主存是多个线程共享的。当new一个对象的时候,也是被分配在主存当中,每个线程都有自己的工作内存,工作线程存储了主存的某些对象的副本,淡然县城的工作内存大小是有限制的。
当线程操作某个对象的时候,执行的顺序如下:
(1)从主存复制变量到当前工作内存(read and load)
(2)执行代码,改变共享变量值(use and assign )
(3)用工作内存的数据刷新主存的相关内容(store and write)
(3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)
JVM规范定义了线程对主存的操作指令:read,load,use,assign,store,write。当一个共享变量在多个线程的工作
内存中都有副本时,如果一个线程修改了这个共享变量,那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值,这就是多线程的可见性问题。
(2)有序性:线程在引用变量的时候不能直接从主存中引用,如果线程的工作内存中没有改变量,则会从主存中拷贝一个副本到工作内存中。这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段的时候,有可能重新从主存中获取变量的副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use).也就是说read/load/use顺序可以由Jvm实现系统决定。线程不能直接为主存中的字段赋值,它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),
完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write),至于何时同步过去,根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主
内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本,
当同一线程多次重复对字段赋值时,比如:
- for(int i=0;i<10;i++)
- a++;
线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区,所以assign,store,weite顺序
可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x,线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个
原子操作,它的执行过程如下
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主存
如果另外一个线程b执行x=x-1,执行过程如下:
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主
那么显然,最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10,线程a加1,线程b减1,从表面上看,似乎最终x还是为10,
但是多线程情况下会有这种情况发生:
1:线程a从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10
2:线程b从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10
3:线程a将工作内存中x加1,工作内存中x值为11
4:线程a将x提交主存中,主存中x为11
5:线程b将工作内存中x值减1,工作内存中x值为9
6:线程b将x提交到中主存中,主存中x为9
同样,x有可能为11,如果x是一个银行账户,线程a存款,线程b扣款,显然这样是有严重问题的,要解决这个问题,
必须保证线程a和线程b是有序执行的,并且每个线程执行的加1或减1是一个原子操作。看看下面代码:
- public class Account {
- private int balance;
- public Account(int balance) {
- this.balance = balance;
- }
- public int getBalance() {
- return balance;
- }
- public void add(int num) {
- balance = balance + num;
- }
- public void withdraw(int num) {
- balance = balance - num;
- }
- public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
- Account account = new Account(1000);
- Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");
- Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");
- a.start();
- b.start();
- a.join();
- b.join();
- System.out.println(account.getBalance());
- }
- static class AddThread implements Runnable {
- Account account;
- int amount;
- public AddThread(Account account, int amount) {
- this.account = account;
- this.amount = amount;
- }
- public void run() {
- for (int i = 0; i < 200000; i++) {
- account.add(amount);
- }
- }
- }
- static class WithdrawThread implements Runnable {
- Account account;
- int amount;
- public WithdrawThread(Account account, int amount) {
- this.account = account;
- this.amount = amount;
- }
- public void run() {
- for (int i = 0; i < 100000; i++) {
- account.withdraw(amount);
- }
- }
- }
- }
第一次执行结果为10200,第二次执行结果为1060,每次执行的结果都是不确定的,因为线程的执行顺序
是不可预见的。这是java同步产生的根源,synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的,
synchronized作为一种同步手段,解决java多线程的执行有序性和内存可见性,而volatile关键字之解决
多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。
synchronized关键字
上面说了,java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量,
这一段代码成为互斥区或临界区,为了保证共享变量的正确性,synchronized标示了临界区。典型的用法如下:
- synchronized(锁){
- 临界区代码
- }
为了保证银行账户的安全,可以操作账户的方法如下:
- public synchronized void add(int num) {
- balance = balance + num;
- }
- public synchronized void withdraw(int num) {
- balance = balance - num;
- }
刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗:
- synchronized(锁){
- 临界区代码
- }
那么对于public synchronized void add(int num)这种情况,意味着什么呢?其实这种情况,锁就是这个方法所在的对象。
同理,如果方法是public static synchronized void add(intnum),那么锁就是这个方法所在的class。
理论上,每个对象都可以做为锁,但一个对象做为锁时,应该被多个线程共享,这样才显得有意义,在并发环境下,
一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码:
- public class ThreadTest{
- public void test(){
- Object lock=new Object();
- synchronized (lock){
- //do something
- }
- }
- }
lock变量作为一个锁存在根本没有意义,因为它根本不是共享对象,每个线程进来都会执行Object lock=new Object();
每个线程都有自己的lock,根本不存在锁竞争。
每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了
被阻塞的线程,当一个被线程被唤醒(notify)后,才会进入到就绪队列,等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行
account.add方法时,jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待,如果有则表明account的锁已经
被占用了,由于是第一次运行,account的就绪队列为空,所以线程a获得了锁,执行account.add方法。如果恰好在
这个时候,线程b要执行account.withdraw方法,因为线程a已经获得了锁还没有释放,所以线程b要进入account的
就绪队列,等到得到锁后才可以执行。一个线程执行临界区代码过程如下:
1获得同步锁
2清空工作内存
3从主存拷贝变量副本到工作内存
4对这些变量计算
5将变量从工作内存写回到主存
6释放锁
可见,synchronized既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。
生产者/消费者模式
生产者/消费者模式其实是一种很经典的线程同步模型,很多时候,并不是光保证多个线程对某共享资源操作的互斥性就够了,
往往多个线程之间都是有协作的假设有这样一种情况,有一个桌子,桌子上面有一个盘子,盘子里只能放一颗鸡蛋,
A专门往盘子里放鸡蛋,如果盘子里有鸡蛋,则一直等到盘子里没鸡蛋,B专门从盘子里拿鸡蛋,如果盘子里没鸡蛋,
则等待直到盘子里有鸡蛋。其实盘子就是一个互斥区,每次往盘子放鸡蛋应该都是互斥的,A的等待其实就是
主动放弃锁,B等待时还要提醒A放鸡蛋。如何让线程主动释放锁很简单,调用锁的wait()方法就好。
wait方法是从Object来的,所以任意对象都有这个方法。看这个代码片段:
- Object lock=new Object();//声明了一个对象作为锁
- synchronized (lock) {
- balance = balance - num;
- //这里放弃了同步锁,好不容易得到,又放弃了
- lock.wait();
- }
如果一个线程获得了锁lock,进入了同步块,执行lock.wait(),那么这个线程会进入到lock的阻塞队列。如果调用
lock.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。
声明一个盘子,只能放一个鸡蛋
- import java.util.ArrayList;
- import java.util.List;
- public class Plate {
- List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
- public synchronized Object getEgg() {
- if (eggs.size() == 0) {
- try {
- wait();
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }
- Object egg = eggs.get(0);
- eggs.clear();// 清空盘子
- notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
- System.out.println("拿到鸡蛋");
- return egg;
- }
- public synchronized void putEgg(Object egg) {
- if (eggs.size() > 0) {
- try {
- wait();
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }
- eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋
- notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
- System.out.println("放入鸡蛋");
- }
- static class AddThread extends Thread{
- private Plate plate;
- private Object egg=new Object();
- public AddThread(Plate plate){
- this.plate=plate;
- }
- public void run(){
- for(int i=0;i<5;i++){
- plate.putEgg(egg);
- }
- }
- }
- static class GetThread extends Thread{
- private Plate plate;
- public GetThread(Plate plate){
- this.plate=plate;
- }
- public void run(){
- for(int i=0;i<5;i++){
- plate.getEgg();
- }
- }
- }
- public static void main(String args[]){
- try {
- Plate plate=new Plate();
- Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
- Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
- add.start();
- get.start();
- add.join();
- get.join();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("测试结束");
- }
- }
执行结果:
synchronized关键字
上面说了,java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量,
这一段代码成为互斥区或临界区,为了保证共享变量的正确性,synchronized标示了临界区。典型的用法如下:
- synchronized(锁){
- 临界区代码
- }
为了保证银行账户的安全,可以操作账户的方法如下:
- public synchronized void add(int num) {
- balance = balance + num;
- }
- public synchronized void withdraw(int num) {
- balance = balance - num;
- }
刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗:
- synchronized(锁){
- 临界区代码
- }
那么对于public synchronized void add(int num)这种情况,意味着什么呢?其实这种情况,锁就是这个方法所在的对象。
同理,如果方法是public static synchronized void add(intnum),那么锁就是这个方法所在的class。
理论上,每个对象都可以做为锁,但一个对象做为锁时,应该被多个线程共享,这样才显得有意义,在并发环境下,
一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码:
- public class ThreadTest{
- public void test(){
- Object lock=new Object();
- synchronized (lock){
- //do something
- }
- }
- }
lock变量作为一个锁存在根本没有意义,因为它根本不是共享对象,每个线程进来都会执行Object lock=new Object();
每个线程都有自己的lock,根本不存在锁竞争。
每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了
被阻塞的线程,当一个被线程被唤醒(notify)后,才会进入到就绪队列,等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行
account.add方法时,jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待,如果有则表明account的锁已经
被占用了,由于是第一次运行,account的就绪队列为空,所以线程a获得了锁,执行account.add方法。如果恰好在
这个时候,线程b要执行account.withdraw方法,因为线程a已经获得了锁还没有释放,所以线程b要进入account的
就绪队列,等到得到锁后才可以执行。一个线程执行临界区代码过程如下:
1获得同步锁
2清空工作内存
3从主存拷贝变量副本到工作内存
4对这些变量计算
5将变量从工作内存写回到主存
6释放锁
可见,synchronized既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。
生产者/消费者模式
生产者/消费者模式其实是一种很经典的线程同步模型,很多时候,并不是光保证多个线程对某共享资源操作的互斥性就够了,
往往多个线程之间都是有协作的假设有这样一种情况,有一个桌子,桌子上面有一个盘子,盘子里只能放一颗鸡蛋,
A专门往盘子里放鸡蛋,如果盘子里有鸡蛋,则一直等到盘子里没鸡蛋,B专门从盘子里拿鸡蛋,如果盘子里没鸡蛋,
则等待直到盘子里有鸡蛋。其实盘子就是一个互斥区,每次往盘子放鸡蛋应该都是互斥的,A的等待其实就是
主动放弃锁,B等待时还要提醒A放鸡蛋。如何让线程主动释放锁很简单,调用锁的wait()方法就好。
wait方法是从Object来的,所以任意对象都有这个方法。看这个代码片段:
- Object lock=new Object();//声明了一个对象作为锁
- synchronized (lock) {
- balance = balance - num;
- //这里放弃了同步锁,好不容易得到,又放弃了
- lock.wait();
- }
如果一个线程获得了锁lock,进入了同步块,执行lock.wait(),那么这个线程会进入到lock的阻塞队列。如果调用
lock.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。
声明一个盘子,只能放一个鸡蛋
- import java.util.ArrayList;
- import java.util.List;
- public class Plate {
- List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
- public synchronized Object getEgg() {
- if (eggs.size() == 0) {
- try {
- wait();
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }
- Object egg = eggs.get(0);
- eggs.clear();// 清空盘子
- notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
- System.out.println("拿到鸡蛋");
- return egg;
- }
- public synchronized void putEgg(Object egg) {
- if (eggs.size() > 0) {
- try {
- wait();
- } catch (InterruptedException e) {
- }
- }
- eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋
- notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
- System.out.println("放入鸡蛋");
- }
- static class AddThread extends Thread{
- private Plate plate;
- private Object egg=new Object();
- public AddThread(Plate plate){
- this.plate=plate;
- }
- public void run(){
- for(int i=0;i<5;i++){
- plate.putEgg(egg);
- }
- }
- }
- static class GetThread extends Thread{
- private Plate plate;
- public GetThread(Plate plate){
- this.plate=plate;
- }
- public void run(){
- for(int i=0;i<5;i++){
- plate.getEgg();
- }
- }
- }
- public static void main(String args[]){
- try {
- Plate plate=new Plate();
- Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
- Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
- add.start();
- get.start();
- add.join();
- get.join();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("测试结束");
- }
- }
执行结果:
1. 放入鸡蛋
2. 拿到鸡蛋
3. 放入鸡蛋
4. 拿到鸡蛋
5. 放入鸡蛋
6. 拿到鸡蛋
7. 放入鸡蛋
8. 拿到鸡蛋
9. 放入鸡蛋
10.拿到鸡蛋
声明一个Plate对象为plate,被线程A和线程B共享,A专门放鸡蛋,B专门拿鸡蛋。假设
1开始,A调用plate.putEgg方法,此时eggs.size()为0,因此顺利将鸡蛋放到盘子,还执行了notify()方法,
唤醒锁的阻塞队列的线程,此时阻塞队列还没有线程。
2又有一个A线程对象调用plate.putEgg方法,此时eggs.size()不为0,调用wait()方法,自己进入了锁对象的阻塞队列。
3此时,来了一个B线程对象,调用plate.getEgg方法,eggs.size()不为0,顺利的拿到了一个鸡蛋,
还执行了notify()方法,唤醒锁的阻塞队列的线程,此时阻塞队列有一个A线程对象,唤醒后,
它进入到就绪队列,就绪队列也就它一个,因此马上得到锁,开始往盘子里放鸡蛋,此时盘子是空的,
因此放鸡蛋成功。
4假设接着来了线程A,就重复2;假设来料线程B,就重复3。
整个过程都保证了放鸡蛋,拿鸡蛋,放鸡蛋,拿鸡蛋。
volatile关键字
volatile是java提供的一种同步手段,只不过它是轻量级的同步,为什么这么说,因为volatile只能保证多线程的内存可见性,
不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性,例如synchronized。任何被volatile修饰的变量,
都不拷贝副本到工作内存,任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改,所有线程马上就能看到,
但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢?假如有这样的代码:
- public class VolatileTest{
- public volatile int a;
- public void add(int count){
- a=a+count;
- }
- }
当一个VolatileTest对象被多个线程共享,a的值不一定是正确的,因为a=a+count包含了好几步操作,而此时多个线程
的执行是无序的,因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是,任何线程对a的修改,
都会马上被其他线程读取到,因为直接操作主存,没有线程对工作内存和主存的同步。所以,volatile的使用场景是
有限的,在有限的一些情形下可以使用 volatile变量替代锁。要使 volatile变量提供理想的线程安全
必须同时满足下面两个条件:
1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
volatile只保证了可见性,所以Volatile适合直接赋值的场景,如
- public class VolatileTest{
- public volatile int a;
- public void setA(int a){
- this.a=a;
- }
- }
在没有volatile声明时,多线程环境下,a的最终值不一定是正确的,因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤,
这个顺序可能被打乱。如果用
volatile声明了,读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤,相当于是一个原子操作。所以简单来说,volatile适合这种场景:
一个变量被多个线程共享,线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景,
这时候使用volatile的开销将会非常小。
- Java线程安全和非线程安全
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